摘要
温度的精确测量在许多科学和工业领域都是一个非常关键的问题，随着微机电系统（MEMS）的不断发展，温度传感器的小型化也成为一个巨大的挑战,这对传感元件的测温性能提出了新的要求。石墨烯纤维作为一种新型的碳基纤维，表现出优异的热、电和机械性能，有望促进新型温度传感器的开发。本文利用瞬态电热技术（TET）和电流诱导高温加热的方法对化学限域水热法制备的石墨烯纤维及其复合材料在10～292K温度范围内的测温性能进行了研究并对比了复合纤维对测温性能的改善情况，主要实验结论如下: （1）所制备的石墨烯纤维电阻随温度的变化表现为典型的负温度系数（NTC）,电阻随温度的降低而增大。石墨烯纤维表现出较大的电阻温度系数（TCR）,在室温时与铂相当，但随着温度的降低TCR迅速增大，10K时石墨烯纤维的TCR为铂的60倍以上，低温下的测温性能突出。在10～292K温度范围内，石墨烯纤维的电荷输运并不只是由一种机制引起的，在150～292K时热激活传导占主导地位，70～150K时最近邻跳跃传导占主导地位，10～70K时三维可变范围跳跃传导占主导地位。 （2）实验中石墨烯纤维的热响应时间小于0.6s,并且随着温度的降低而减小。得到石墨烯纤维在TET实验过程中的温升小于作为热传感材料（金和铱）的温升，用作TET新的传感材料可进一步提高实验的准确性。研究了石墨烯纤维的比热、热导率和热扩散系数，在热容方面石墨烯纤维表现出比铂更好的热响应特性。结构缺陷的影响导致石墨烯纤维的热导率远低于石墨烯，热扩散系数随温度的降低而增大。石墨烯纤维的特征响应时间（Δte）,在室温时小于1s,并随着温度的降低而减小。 （3）对石墨烯纤维进行电流诱导高温加热，模拟结果表明最高温升在1700K以上，经过电流诱导高温加热后石墨烯纤维的电阻降低，但TCR仍与退火前保持高度的一致性，表明其稳定性较好。引入阻温系数模型得到了电流诱导高温加热前后样品1的结构尺寸分别为0.41和0.94nm,样品2的结构尺寸分别为0.60和1.30nm。结构尺寸的增大表明电流诱导高温加热对石墨烯纤维内部的结构缺陷有所改善。 (4)对氧化石墨烯和碳纳米管不同质量比的石墨烯-碳纳米管复合纤维进行了研究，发现氧化石墨烯和碳纳米管的质量比为16∶10时表现出最好的电导率和热扩散系数，电导率增大了135.40％,热扩散系数增大了101.55％。得到质量比为16∶10的复合纤维TCR的比石墨烯纤维小10％左右，复合纤维电流诱导高温加热前后的结构尺寸分别为1.16和1.74nm。碳纳米管的添加使石墨烯纤维的测温灵敏度有所下降，但对其结构缺陷有所改善。
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